В Отделении физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ после новогодних каникул возобновились научные семинары. Зимой и весной этого года, в связи с пандемией, они будут проходить в онлайн-формате. 19 января старший научный сотрудник Лаборатории релятивисткой ядерной физики (ЛРЯФ) Е.Л. Крышень рассказал о будущем эксперимента ALICE, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК).
Среди детекторов БАК эксперимент ALICE стоит слегка особняком. В фокусе его внимания находится взаимодействие ультрарелятивистких ионов и детальное изучение свойств новой экстремальной формы ядерного вещества –кварк-глюонной плазмы (КГП). Сейчас все эксперименты БАК находятся в стадии модернизации и подготовки к следующим этапам работы ускорителя, которые состоятся в ближайшие 10-15 лет. Задачи модернизации стоят и перед коллаборацией ALICE. Ход модернизации и дальнейшие планы по улучшению детектора обсуждались на научном семинаре ОФВЭ, который состоялся 19 января.
Третий и четвертый этапы работы БАК запланированы на ближайшие 10 лет. Физическая программа ALICE на эти годы является логическим продолжением нынешних исследований. В ходе работы планируется накопить объем экспериментальных данных, соответствующий интегральной светимости в 100 раз большей, чем для данных, накопленных с 2010 по 2018 гг. При этом «качество» данных (соотношение сигнал-фон) также улучшится, так как детекторные системы установки будут модернизированы. Пожалуй, главное внимание сфокусировано на системе внутреннего трекинга (англ. Inner Tracking System, ITS), которая позволит лучше выделять события с образованием тяжелых кварков (c и b). Рожденные в области ядро-ядерного взаимодействия адроны, содержащие c- и b-кварки, являются источниками важнейшей информации о ключевых свойствах КГП. Многие из них распадаются, отлетев на небольшое расстояние от точки столкновения ядер. Соответственно, треки их дочерних частиц не «смотрят» в точку ядро-ядерного взаимодействия (см. рисунок 1). Качество улучшения можно наглядно продемонстрировать, сравнив пространственное разрешение на плоскости детектора (см. рисунок 2). Чем детальнее картинка на плоскости, тем лучше можно определить направление трека, а значит, выделить и полезные события. Следует отметить, что модернизированный детектор предназначен для работы на предельно возможных интенсивностях БАК для ядер свинца 50 кГц, что в 50 раз больше текущих показателей.
Планы модернизации ALICE на пятый этап работы БАК выглядят еще масштабнее. Фактически, предлагается построить новую компактную установку на основе кремниевых детекторов с высоким пространственным разрешением. Это стало возможным благодаря прогрессу в технологиях создания детекторов частиц. Раньше для многих элементов больших детекторных установок использовалась газонаполненные детекторы. Например, «сердцем» ALICE является время-проекционная камера, позволяющая одновременно регистрировать огромное количество треков. Ей на смену должны прийти тончайшие кремниевые пластины. Прогресс произошел во многом благодаря рынку потребительской электроники – ведь аналоги новых детекторов можно найти в фотокамерах любого смартфона.
Схематичный вид нового детектора представлен на рисунке. Этот детектор должен перекрывать огромный угловой диапазон (от 2 до 178 градусов относительно оси пучка), быть очень тонким (радиационная длина: 0.05%X0 в расчете на слой), иметь прекрасное временное разрешение (порядка 20 пс) для идентификации типов частиц по времени пролета. Предполагается, что этот детектор будущего сможет работать в режиме, в котором число ядро-ядерных взаимодействий будет увеличено еще в 50 раз. Так как интенсивность столкновений ядер свинца на третьем и четвертом этапах уже будет близка к предельно возможной на БАК, рассматриваются сценарии перехода к более легким ионам (ксенон, криптон, кальций).
Какие же задачи сможет решать ALICE, если новый детектор будет построен? Во-первых, из-за малого количества вещества детектора станет возможным измерение малых поперечных импульсов частиц (вплоть до 20 МэВ/c). Это позволит измерить еще неисследованную часть теплового спектра КГП, а значит, лучше понять, как выглядела наша Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва.
Во-вторых, хорошее разрешение нового детектора позволит использоватьнедавно открытые на БАК барионы с двойным очарованием Ξсс++ (см. также 1, 2) в качестве частиц-пробников. Также для измерений планируется использовать еще не открытые экспериментально барионы Ωсс+ и Ξсс+. Совершенно фантастически выглядит возможная регистрация барионов с тройным очарованием (Ωссс++) в ядро-ядерных взаимодействиях. Однако, есть веские основания полагать, что вероятность рождения таких частиц в КГП может быть больше на несколько порядков по сравнению с вероятностью их рождения в протон-протонных столкновениях. Изучив спектры частиц с двойным и тройным очарованием, физики смогут лучше понять механизм перехода из КГП-состояния в состояние адронного газа.
Сотрудники Лаборатории релятивисткой ядерной физики являются полноправными участниками и соавторами всех научных работ эксперимента ALICE. Сейчас рассматриваются возможности участия физиков ЛРЯФ как в создании нового детектора, так и в физической программе пятого этапа работы БАК.
Следует отметить, что заседание научного семинара ОФВЭ впервые проводились в режиме онлайн-конференции. В нем участвовали не только сотрудники Института, проживающие в Гатчине и Санкт-Петербурге, но и физики, которые сейчас работают в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) над модернизацией экспериментальных установок БАК. Видеозапись этого семинара можно посмотреть по ссылке. Слайды семинараразмещены на сайте Отделения физики высоких энергий.